Small scale turbulence in high Karlovitz number premixed flames

The purpose of this thesis is to characterize the behavior of the smallest turbulent scales in high Karlovitz number (Ka) premixed flames. These scales are particularly important in the two-way coupling between turbulence and chemistry and better understanding of these scales will support future modeling efforts using large eddy simulations (LES). The smallest turbulent scales are studied by considering the vorticity vector, ω, and its transport equation.

Due to the complexity of turbulent combustion introduced by the wide range of length and time scales, the two-dimensional vortex-flame interaction is first studied as a simplified test case. Numerical and analytical techniques are used to discern the dominate transport terms and their effects on vorticity based on the initial size and strength of the vortex. This description of the effects of the flame on a vortex provides a foundation for investigating vorticity in turbulent combustion.

Subsequently, enstrophy, ω² = ω • ω, and its transport equation are investigated in premixed turbulent combustion. For this purpose, a series of direct numerical simulations (DNS) of premixed n-heptane/air flames are performed, the conditions of which span a wide range of unburnt Karlovitz numbers and turbulent Reynolds numbers. Theoretical scaling analysis along with the DNS results support that, at high Karlovitz number, enstrophy transport is controlled by the viscous dissipation and vortex stretching/production terms. As a result, vorticity scales throughout the flame with the inverse of the Kolmogorov time scale, τ_η, just as in homogeneous isotropic turbulence. As τ_η is only a function of the viscosity and dissipation rate, this supports the validity of Kolmogorov’s first similarity hypothesis for sufficiently high Ka numbers (Ka ≳ 100). These conclusions are in contrast to low Karlovitz number behavior, where dilatation and baroclinic torque have a significant impact on vorticity within the flame. Results are unaffected by the transport model, chemical model, turbulent Reynolds number, and lastly the physical configuration.

Next, the isotropy of vorticity is assessed. It is found that given a sufficiently large value of the Karlovitz number (Ka ≳ 100) the vorticity is isotropic. At lower Karlovitz numbers, anisotropy develops due to the effects of the flame on the vortex stretching/production term. In this case, the local dynamics of vorticity in the strain-rate tensor, S, eigenframe are altered by the flame. At sufficiently high Karlovitz numbers, the dynamics of vorticity in this eigenframe resemble that of homogeneous isotropic turbulence.

Combined, the results of this thesis support that both the magnitude and orientation of vorticity resemble the behavior of homogeneous isotropic turbulence, given a sufficiently high Karlovitz number (Ka ≳ 100). This supports the validity of Kolmogorov’s first similarity hypothesis and the hypothesis of local isotropy under these condition. However, dramatically different behavior is found at lower Karlovitz numbers. These conclusions provides/suggests directions for modeling high Karlovitz number premixed flames using LES. With more accurate models, the design of aircraft combustors and other combustion based devices may better mitigate the detrimental effects of combustion, from reducing CO₂ and soot production to increasing engine efficiency.

A construção da síndrome pré-menstrual

Esta pesquisa visa problematizar a síndrome pré-menstrual (SPM) enquanto entidade biomédica a-histórica tornada evidente a partir do preenchimento de critérios diagnósticos. O ponto de partida é a hipótese de que o modelo biomédico de explicação da SPM incorpora e reproduz os padrões sociais vigentes que insistem em visões estereotipadas dos gêneros em função da diferenciação biológica dos sexos. A partir de uma reflexão sobre a construção do fato científico e da preponderância do discurso biomédico na compreensão dos corpos, emoções e comportamentos femininos, analisamos as mudanças históricas ocorridas nessa visão considerada reducionista. No final do século XVIII e início do XIX, a essência da feminilidade era localizada no útero; a partir de meados do século XIX, os ovários passaram a ser considerados a fonte das doenças das mulheres, inclusive as nervosas e mentais. No início do século XX começou a ocorrer uma mudança nos discursos biomédicos e a essência da feminilidade passou a ser localizada em substâncias químicas denominadas hormônios. Desde então o organismo feminino tornou-se cada vez mais representado como controlado pelos hormônios, reificando a crença de que as mulheres são cíclicas e em determinados períodos, instáveis, irracionais e, portanto, não confiáveis. Essa ênfase nos hormônios coincide com a primeira descrição, em 1931, do que era chamado tensão pré-menstrual. Na década de 1950, a terminologia mudou para síndrome pré-menstrual. Inicialmente foi compreendida como diretamente produzida pelos hormônios femininos, mas não há evidência empírica que comprove esta hipótese. Após 80 anos de pesquisas, não se encontrou um marcador biológico ou teste bioquímico que possa ser utilizado para o diagnóstico. Os próprios critérios diagnósticos não são consensuais entre os pesquisadores, pois foram descritos mais de 200 sintomas que incidem de forma variada e inconstante. Não se conhece ainda o mecanismo etiopatogênico e alguns autores questionam a própria existência da síndrome enquanto entidade biomédica e apresentam visões feministas e sócio-culturais para a compreensão do fenômeno. Muitas mulheres, entretanto, afirmam ter TPM (nomenclatura mais comum nos meios leigos). Para aprofundar esta questão e ampliar nossa compreensão, a análise de artigos biomédicos recentes (2000 a 2011) sobre a SPM foi confrontada com a experiência direta ou indireta da TPM em mulheres de camadas médias da população. Com este objetivo, foram analisados artigos científicos sobre a SPM selecionados a partir de um levantamento no PubMed, ferramenta de buscas online, e realizadas entrevistas individuais em profundidade, abertas, semi-estruturadas com mulheres em idade reprodutiva selecionadas através do sistema de amostragem conhecido como bola de neve (snow ball). Após a análise tanto dos artigos científicos quanto das entrevistas, concluímos que apesar de pressupostos comuns que a biologia determina diferenças de gênero naturais e universais entre homens e mulheres a SPM dos artigos biomédicos e a TPM das mulheres não coincidem. Sem desconsiderar as sensações desagradáveis, os problemas e o sofrimento das mulheres que afirmam ter TPM, os resultados deste estudo apontam para uma realidade complexa que enseja mais pesquisa em direção a descrições menos reducionistas destas experiências femininas

A New theory for evaluating the number density of inclusions in films

A new formulation derived from thermal characters of inclusions and host films for estimating laser induced damage threshold has been deduced. This formulation is applicable for dielectric films when they are irradiated by laser beam with pulse width longer than tens picoseconds. This formulation can interpret the relationship between pulse-width and damage threshold energy density of laser pulse obtained experimentally. Using this formulation, we can analyze which kind of inclusion is the most harmful inclusion. Combining it with fractal distribution of inclusions, we have obtained an equation which describes relationship between number density of inclusions and damage probability. Using this equation, according to damage probability and corresponding laser energy density, we can evaluate the number density and distribution in size dimension of the most harmful inclusions. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.